GPS-rtk技术应用于公路勘测的研究与实践(1).doc

摘 要RTK(Real-Time Kinematic)技术是GPS技术与数据传输相结合而构成的实时定位技术。利用 该技术能够满足 快速求得厘米级整周模糊度固定解的要求,在接收较多GPS卫星信号,多路径效应影响较小的情况下,RTK在5秒内确定整周模糊度固定解的置信度可达99%,做到动态测量时平面精度达1，本文介绍GPSRTK技术的基本原理,GPSRTK技术在公路勘测实际应用中的基本情况及注意事项。关键词:GPS;RTK技术;定测;坐标; AbstractThe RTK technique,along with its continuous development, has been applied widely at present in many surveying fields.This article gives a brief introduction,in conjunction with the practical application of the RTK technique,to the principles and methods of ellipsoidal coordinate conversion and projection,the derivation of RTK coordinate conversion parameters,and the conversion from geodetic height to normal height.The article also put forward,through some of the problems existing in derivation of the height anomaly values,a scheme for deriving the coordinate conversion parameters of the pseudo-geoid model.The scheme has gone through comparison and analysis in field practices.The results show that these coordinate conversion parameters of the pseudo-geoid model cannot only effectively decrease the work intensity of the office data processors but also provide the accuracy completely satisfying the requirements.Keyword：RTK technique;coordinate conversion;height anomaly;pseudo-geoid model . 目录 一 前言摘要 二GPS RTK系统的基本原理 三，GpS RTK技术在公路勘测中的应用 四，坐标系统及各种应用 五 系统构建与数据采集 六GPS RTK实施过程中应注意的其它问题 七成果验收和上交资料 八结语 九参考文献 十致谢 一 ，引言传统的公路勘测工作非常辛苦，而且繁琐，存在着勘测周期长、工作效率低等诸多问题。最大限度地减轻公路勘测工作量、提高公路勘测效率和勘测精度，一直是公路勘测工作者孜孜以求的目标。目前，GPS技术日益成熟、普及GPS技术的发展为公路勘测技术的腾飞奠定了坚实的基础。本文着重介绍GPSRTK技术应用与实践。二GPS RTK系统的基本原理目前，差分GPS有两种主要形式：一种是RTK技术，另一种是RTD技木RTK技术的全称是：实时动态载波相位差分技术，即：RealTwi eKinematic Technque。RTK（Real - time kinematic）实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。 RTD技术的全称是：实时伪距差分（或叫平滑伪距差分）技术。当前， RT D技术的定位精度较低，尚不能满足工程测量的精度要求，而RTK技术的定位精度己能达到厘米级，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。完全可以满足一般工程测量的精度要求。RTK技术是大地测量、空间技术、卫星技术、无线电通讯与计算机技术的综合集成，在许多领域发挥着重大作用。RT K系统主要由一个基淮站、若干个流动站、通讯系统3大部分组成。基准站包括：GPS接收机（接收机通常具有数据传输参数、测量参数、坐标系统等的设置功能）、GPS大线、无线电通讯发射设备、电源、基淮站控制器等设备。流动站的基本配置是：GPS大线、GPS接收机、无线电通讯接收设备、电源、流动站控制兢RTK系统的工作原理，测量时，基准站将接收到的所有卫星信息（伪距和载波相位观测值）及其淮站信息（基淮站坐标、天线高等）一起由通讯系统传送给各流动站。各流动站在接收卫星数据的同时还接收基淮站传送的信息，当流动站完成初始化工作后，控制器即可根据接收到的信息实时计算并显示出流动站的点位坐泳RTK系统之所以能快速淮确地求解出整周模糊度，是因为RTK系统采用了快速算法。这些快速算法包括：模糊度函数法、最小二乘搜索法、组合波搜索法、快速分解法门ARA法）笔优质、高效的数据传输技术是RTK技术实现的关挽RTK要求基准站与各流动站之间通过建立数据通讯链未实现基准站信息（数据）向流动站的实时传输，并能对传输的数据进行正确编码和同步检错。为保证数据传输的准确与实时，必须综合考虑传输格式、传输频率、传输距高、传输数据量等诸多因素。RTK是以WGS84系统做为基淮坐标系统的，其全部观测值及解算结果均属于W GS84系统。由于世界各国一般都采用适合本国需要和特点的地方坐标系统（我国目前采用的 1980国家大地坐标系，以前采用的 1954北京坐标系，以及各类工程坐标系、城市坐标系等区域性坐标系统），因此就必须将RTK的WGS 84坐标系统转换为地方坐标系统，要实现这种转换就必须淮确知道地方坐标与W GS84坐标间的转换参数（平移因子、尺度因子、旋转因子）。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。 随着科学技术的不断发展，rtk技术已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统WADGPS，有些城市建立起CORS系统，这就大大提高了RTK的测量范围，当然在数据传输方面也有了长足的进展，由原先的电台传输发展到现在的GPRS和GSM网络传输，大大提高了数据的传输效率和范围。在仪器方面，现在的仪器不仅精度高而且比传统的RTK更简洁、更容易操作！三GpS RTK技术在公路勘测中的应用3.1公路控制系统的构建公路线路测量主要有定线、平断面测量、定位测量三大任务。要圆满完成这三大任务就必须建立一个高精度的、布局合理的控制系统，控制系统的优劣将直接影响GPS RTK技术的效果。控制系统的构建可采用常规大地（控制）测量方法也可采用GPS静态测量技术。控制系统构建时应精心选择原有的控制点并将所有的控制点都纳入同一坐标系统中去（即公路控制系统中去）。公路控制系统中各控制点的作用之一是为了设置 GpS RTK基淮站，因此要求新设控制点应设置在地势较高、视野开阔的位置，并要求控制点的周围不得有高度角超过10o的障碍物，在控制点阴近100 m范围内不能有强电磁干扰（无线电台、高压线、微波站、自动气象站等），巳不能有导致多路径效应的GPS信号反射体（比如大面积水域、高大建筑物等）。各种控制测量 传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业不知精度如何，采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。如果把RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。3.2 GPS RTK的勘测过程RTK在铁路测量中的作业模式（一）RTK作业模式1快速静态测量。采用这种测量模式，要求GPS接收机在每用户站上，静止的进行观测。在观测过程中，连同接收到的基准站的同步观测数据，实时的解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算的结果变化趋于稳定，且精度以满足设计要求，便可适时的结束观测。采用这种作业模式时，用户站的接收机在流动过程中，可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度可达12cm。1.1作业方法采用两台(或两台以上)接收设备，分别安置在一条或数条基线的两个端点同步观测4颗以上卫星，每时段长45分钟至2小时或更多1.2精度：基线的定位精度可达5mm+1(10-6?D，D为基线长度(km)。1.3特点：基线构成几何图形，检核条件充分。提高成果可靠性。并且可以通过平差，进一步提高定位精度。 1.4适用范围：建立全球性或国家级大地控制网，建立地壳运动监测网、建立长距离捡校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等。1.5 注意事项：所有已观测基线应组成一系列封闭图形(如图8-1)，以利于外业检核2准动态测量。同一般的准动态测量一样，这种测量模式，通常要求流动的接收机在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止的进行观测，以便采用快速解算整周未知数地方法实时的进行初始化工作。初始化后，流动的接收机再每一个观测站上，只需静止观测数历元，并连同基准站的同步观测数据，实时的解算流动站的三维坐标。目前其定位精度可达厘米级。3动态测量。动态测量模式，一般需首先在某一起始点上，静止地观测数分钟，以便进行初始化工作。之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时的确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可达厘米级。这种测量模式，仍要求在观测过程中，保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，则需重新进行初始化。（二）建立平面控制网在铁路勘察设计中，铁路定测是一项很重要的工作内容，在铁路定测过程中，测量的主要工作是进行交切测量、中线测量、中桩高程测量、断面测量、跨线测量、桥涵测量等工作。在放样中线之前，首先要采用静态测量方法沿线布设平面控制网，经过严密平差解算，求出各控制点的平面坐标与高程。相邻点间间距58km，并与国家点联测，求出各控制点平面坐标。这里需要考虑投影变形的影响。变形的程度与测区地理位置和高程有关，铁路线路短则数十公里，长则上千公里，跨越范围广，线路走向、地形情况千差万别，长度变形各不相同。在3投影带的边缘，长度变形可达1/3500以上，导致中线桩由图上反算的放样长度与实地测量长度不一致，无法满足放样要求。因此，必须采取相应的措施消弱长度变形，如设置抵偿投影面等方法。（三）高程控制测量GPS测出的高度是大地高，而实际采用的是正常高，需要将大地高转化为正常高。而测区的高程异常是未知数，且高程异常的变化较复杂，特别在山区精度较差。近几年来，随着高程拟合方法的逐步应用，在地形变化不大的平坦、半丘陵地区，已经可以将RTK高度值进行处理来得出正常高。此外，铁路新线定测要求约每隔2km设置水准点，而有些地形环境不能满足GPS观测的条件，采用高程拟合的方法拟合的高程精度不能得到保证。完全用GPS替代等级水准难度大。因此要结合测区具体情况，确定要采用的方法。（四）外业施测选点并埋设标石之后，在基准点上架设接收机，开机后进行必要的系统设置、无线电设置及天线高等输入工作。流动站接收机开机后首先进行系统设置，输入转换参数，再进行流动站的设置和初始化工作。通常公布的坐标系统和大地水准面模型不考虑投影中的当地偏差，因此要通过点校正来减少这些偏差，获得更精确的当地网格坐标，且确保作业区域在校正的点范围内。对GPS卫星进行跟踪、处理与量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。四，坐标系统及各种应用.4.1坐标系统转换参数的确定将基准站安置在符合新设控制点要求的新设控制点或旧有控制点上获取其 WGS 84坐泳将流动站安置在基淮站控制范围内巳距基淮站尽可能远的另一符合新设控制点要求的新设控制点或旧有控制点上，在没有转换参数的方式下待解算模式进入窄距解时获取W GS 84坐标。将基准站、流动站的W GS 84坐标及公路控制系统坐标输入实时动态软件系统的参数求解程序即可得到对应的一套坐标系统转换参数（平移因子、尺度因子、旋转因子）。然后，就可以利用该基淮站从事该基淮站控制范围内的公路现场定线，平断面测量和定位放样工作了。向求解完坐标系统转换参数的基淮站输入其己知坐标、GPS大线高、卫星截止高度角、数据采样率、数据链的通讯参数（包括通讯串口、波特率、起始位、数据位、停止位、奇偶检校位等），必要时应输入的坐标转换参数（平移因子、尺度因子、旋转因子），然后将DGPS设置为输出（out）。基淮站和流动站同时接收4颗以上的相同卫星信号，进行载波相位观测。基准站在跟踪载波相位测量的同时将基站信息发出，流动站在接收GPS信号进行载波相位观测的同时通过数据链接收基站发出的信息并实时解算出流动站的 WGS 84系统坐标，同时流动站控制器根据设置的转换参数及投影方式实时计算出流动站在公路控制坐标系统中的坐标及高程。从而完成该工程点的测量或放样工怅 流动站在基准站的有效工作范围内（一般为15 30 km）沿公路线流动即可完成该范围内的全部公路勘测工作。4.2 GPS RTK公路勘测RTK拥有高精度、高效率和实时性的特点，在各种工程测量工作中得到了广泛的应用。（一）工程控制测量用GPS建立控制网，理论精度最高的方法是静态测量。对于大型建筑物，如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制，适合采用用静态测量。而一般工程的控制测量，则可采用实时GPS动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度，大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视，便得测量工作更简便易行。（二）绘制大比例地形图等级高的铁路选线多是在大比例尺（通常是1:2000或1:1000）带状形图上进行的。用传统方法测图，先要建立控制网，然后进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图。其工作量大速度慢，花费时间长。然而，用实时GPS动态测量，测得碎部点的数据，在室内即可由绘图软件成图，由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，大大降低了测图的难度，既省时又省力。（三）铁路中线测设设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需将铁路在地面标定出来。采用实时GPS测量，只需将中线柱点的坐标输入GPS接收机中，系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立的完成的，不会产生累积误差，各点放样精度趋于一致。同时，GPS接收机只需在小范围内无遮挡，保证信号接收，就能满足中线测设要求，特别在山区中线测设中可大量减少转点和砍伐树木工作，节省大量的人力，提高测量进度。（四）铁路纵、横断面测量铁路中线确定后，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的，因此不需要再到现场进行纵、横断面测量，从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时，也可采用实时GPS测量。与传统方法相比，在精度、经济、实用性各方面都有明显的优势。（五）施工测量实时GPS系统既有良好的硬件基础，也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷，精度可达到厘米级。（六）变形观测利用实时GPS动态变形监测网具有毫米级的精度，比一般工程控制网高一个数量级。实践表明，如果用较长的观测时间，分几个时段进行观测，并采取强制对中，观测时天线指北等措施，长度不超过4km的基线向量可达到23mm的精度五 系统构建与数据采集当上一基淮站有效工作范围内全部公路勘测工作结束后，再将基准站搬到另一控制点上构建新的基站系统，按上述步骤再进行新基站有效工作范围内的公路勘测工作，直到整个线路勘测工作结束。、 GPS数据的采集1依据的主要技术指标2静态测量数据采集21天线安置22接收机安装天线安置完成后，在离开天线适当位置的地面上安放GPS接收机，接通接收机与电源、天线、控制器的连接电缆，并经过严格检查，正确安装方可启动接收机进行观测。23开机观测 观测作业的主要目的是捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。 (1) 接收机正确安装完成后，启动接收机并经过预热和静置。 (2)接收机锁定卫星并开始记录数据后，观测员可按照仪器随机提供的操作手册进行输入和查询操作，在未掌握有关操作系统之前，不要随意按键和输入，一般在正常接收过程中禁止更改任何设置参数。24观测记录在外业观测工作中，所有信息资料均须妥善记录。记录形式主要有以下两种：（1）观测记录：观测记录由GPS接收机自动进行，均记录在存储介质(如硬盘、硬卡或记忆卡等)上。（2）测量手簿3 准动态测量数据采集用两台GPS接收机（1台基准站+1台流动站），通过静态初始化（基准站架设已知点上），用后处理解算流动站碎部点坐标。此作业方法尤其适合无需数据链差分测点，点位精度要求达到亚米级，流动站碎部点测量时间短，流动站完成初始化以后，一般只需1分钟左右测一个点。下面以STRATUSSmart3100IS接收机为例介绍准动态测量数据采集。3.1 基准站设置准动态测量作业基准站数据采集方法与静态测量数据采集相似， 3.2 初始化3.3 流动观测：初始化完成以后，在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，将流动接收机依次置于待定点同步观测4 实时动态(RTK) 测量数据采集用两台以上GPS接收机（1台基准站+1台流动站），通过实时测量数据采集与解算坐标改正处理，获得流动站碎部点坐标。4.1实时动态(RTK)基准站设置4.2基准站数据采集系统配置4.3差分测量模式设置4.4实时动态(RTK) 移动站设置4.5移动站数据采集系统配置4.6差分测量模式设置（1） 开机锁定卫星后，手簿选择数据采集Data Collector项；（2） 选择GPS模式，按Enter键确认（3） 设置差分定位模式, 选择Reference项，Enter确定。（4） 设置接收差分定位信息Receive RTCM模式（图8-28）（5）设置接收差分定位信息：DGPS ID 参数用于输入站名。一旦设定，接收机只承认和所设定的ID相符的站发出的差分修正值。DGPS ID 参数常用于可通过数据链同时接收几个基准站差分信息的情况。（6）动态数据采集六GPS RTK实施过程中应注意的其它问题 外业观测结束后，应及时卸载有关资料并进行数据处理，以便对外业数据的质量进行检核。检核的内容有：(1)数据剔除率：一时段内观测值的剔除率不应超过10。(2)复测基线的长度差(3)同步环闭合差(4)独立环闭合差及附合路线坐标闭合差。 (5)精处理后基线分量及边长的重复性。(6)各时段间的较差。6.1 RTK坐标系统的处理方法（ l）当基淮站己知坐标系统为 W GS84坐标系统，流动站也需要 W GS84坐标系统，则不需对坐标系统进行处理。（ 2）当基准站己知坐标系统为 W GS84坐标系统，而流动站需要地方坐标系统时，应在基淮站输入 W G S8 4坐标系统，在流动站输入地方坐标系统与W GS84坐标系统间的转换参数。(3)当基准站己知坐标系统为地方坐标系统，流动站需要W GS84坐标系统时，则在基准站输入地方坐标系统及地方坐标系统与 W GS 84坐标系统间的转换参数，并在流动站选择 W GS84坐标系统。（ 4）当基准站己知坐标系统为地方坐标系统，流动站也需要地方坐标系统，则在基淮站输入地方坐标系统，并将基准站与流动站都定义为地方坐标系统巳都输入地方坐标系统与 W GS84坐标系统间的坐标转换参数。 6.2 GPS控制点选择的原则 (1)点位应选易于安置接收设备、视野开阔的位置。视场周围15(以上不应有障碍物，以避免GPS信号被吸收或遮挡。 (2)点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)，其距离不小于200m；远离高压输电线，其距离不得小于50m，以避免电磁场对GPS信号的干扰。 (3)点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。 (4)点位应选交通方便，有利于其他观测手段扩展与联测的地方。 (5)点位应选在地面基础稳定，易于点保存的地点。 (6)选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。 (7)网形应有利于同步观测及边、点联结。 (8)当所选点位需要进行水准联测时，选点人员应实地踏勘水准路线，提出有关建议。(9)当利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性，以及觇标是否安全可用做检查，符合要求方可利用。10适时的外部检验将流动站在测量前和结束后流动到己知控制点上，检查流动站显示的三维坐标与己知控制点的三维坐标是否相符，以观察RTK系统的工作状况。若两者的不符值在容许范围以丸则证明系统工作正常，否则说明系统工作不正常或存在误差问题，应及时地查找出原因并加以解决。6.3GPS控制点环视图绘制 GPS控制点环视图是反映控制点周围一定截止高度角范围内天顶通视情况的专用图件。它是外业选点工作的重要成果。环视图绘制方法有两类：一是圆周型，另一类是断面型。 （1）圆周型环视图绘制 以控制点为原心，南北0(180(方向线为X轴方向；东西90(270(方向线为Y轴方向，建立平面坐标系。X、Y坐标值取高度角，并按绝对值递减方式注记。参照地形图式，由0(至360(间隔相等水平角标绘截止高度角内地物。（2）断面型环视图绘制 以控制点为原心， X轴为截止高度角方向；Y轴为环视方位线方向，建立平面坐标系。X坐标值取高度角，并按绝对值递增方式注记。Y坐标值取0(360(方位线方向。参照地形图式，由0(至360(间隔相等水平角标绘截止高度角内地物。6.4 标志埋设与点之记绘制 GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位。点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用。在基岩露头地区，也可直接在基岩上嵌入金属标志。每个点位标石埋设结束后，填写点之记。3.2数据通讯目靓RTK通讯一般都光用VHFUHF视距传输。这种传输的特点是不能绕射，为了提高传输距离，很多 RT K的数据链均采用高增益大线。为了保证通讯的畅通、较低的误码率、较短的历元延迟，测量中应注意监视基准站和流动站的工作状态，并进行必要的质量控制（比如降低灵敏度、避开干扰等）。七成果验收和上交资料 外业观测及内业数据处理完成后应进行成果验收并上交有关资料。如果数据处理工作也是由外业观测单位自己来完成的，那么成果验收和上交资料可在数据处理工作结束后进行 (进行低等级小范围的GPS测量时通常采用这种模式)。如果外业观测工作结束后，数据处理工作将交由专门机构来进行(例如A级网、B级网等高精度GPS网)，则在上交外业观测资料时也应对外业观测资料进行检查验收。此时，成果验收和上交资料中将不包含带“*”号的部分。1成果验收 成果验收按CHl002的有关规定进行。交送验收的成果包括： 观测记录的存储介质及其备份。记录的内容和数量应齐全，完整无缺。各项注记和整饰应符合要求。 验收的重点为： (1)实施方案是否符合规范和技术设计的要求。 (2)补测、重测和数据剔除是否合理。 (3)数据处理软件是否符合要求。处理项目是否齐全，起算数据是否正确。 (4)各项技术指标是否符合要求。 验收完成后应写出成果验收报告。在验收报告中，应根据CHl003的有关规定成果质量进行评定 。 2 技术总结 在GPS测量工作完成后，应按要求编写技术总结报告，作为成果验收和资料重要技术文件。其具体内容包括外业和内业两大部分。 21外业技术总结内容 (1)测区及其位置，自然地理条件与气候特点、交通、通讯及供电等情况。 (2)任务来源，项目名称，测区已有测量成果情况，本次施测的目的及基精度要求。 (3)施工单位，施测起迄时间，技术依